Spannung garantiert

Stromnetz

Technik - Ohne regelbare Ortsnetz-Transformatoren oder Strangregler keine Energiewende. Deutschlandweit sind die Arbeiten in vollem Gang. Aktionismus ist aber fehl am Platz. Niederspannungsnetze müssen dann ausgebaut werden, wenn die Stromtragfähigkeit überschritten ist. Bis dieser Punkt erreicht ist, stellen aktive Regelkomponenten die Spannungshaltung sicher.

02. November 2016

Soll die Energiewende gelingen, müssen die Stromverteilnetze jetzt bedarfsorientiert umgebaut und flexibilisiert werden. Denn durch den wachsenden Anteil der stark fluktuierenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen ändern sich die Energieflüsse in den Verteilnetzen nicht nur je nach Lastsituation, sondern auch nach Wetterlage.

Fit für den Gegenverkehr

Eine Studie im Auftrag des VDE hat untersucht, was Netzbetreiber jetzt tun müssen, um das Netz fit zu machen für die nächsten Jahrzehnte.

Leitbild der Studie ist das ›aktive Verteilnetz‹. Netzbetreiber können so Last- und Einspeiseverhalten, Spannung, Blindleistung, Netzschutzparameter und Netztopologie situativ und automatisch bis in die Niederspannungsebene anpassen; dadurch soll ein sicherer und stabiler Netzbetrieb auch bei höherer dezentraler Einspeisung gewährleistet werden.

Um das zu schaffen, müssen die klassischen Einbahnstraßen-Verteilnetze mit IT-Intelligenz ausgestattet und zu gegenverkehrsfähigen flexiblen Smart Grids umgebaut werden. Diese Aufgabe ist umso anspruchsvoller, als es sich bei Stromverteilnetzen um eine kritische Infrastruktur handelt.

»Die günstigste Maßnahme für die Spannungshaltung sind aktive Regelkomponenten im Netz«, sagt Stefan Hoppert von A. Eberle in Nürnberg. Zu diesem Schluss seien bereits 2014 mehrere Verteilnetzstudien gekommen.

Aktive Regelkomponenten

»Aktive Regelkomponenten gewährleisten die Spannungsqualität und verzögern oder vermeiden den Netzausbau für kommende Jahrzehnte.« Müsse ein Betreiber eines Tages dann doch sein Netz ausbauen, etwa weil die Betriebsmittelgrenzen erreicht seien, dann könne mit mehr Vorausblick geplant und ausgebaut werden.

Der Einspeise- und Lastschwerpunkt im Niederspannungsnetz ist laut Hoppert bei Zunahme von PV-Anlagen und elektrischen Lasten nicht über Jahre konstant. Je länger Investitionen durch aktive Regelsysteme aufgeschoben werden, desto effizienter kann der Netzausbau dann erfolgen. Niederspannungsregelsysteme können dann bei Bedarf einfach versetzt werden.

Eberle hat speziell für die Niederspannung den Längspannungsregler ›LVR Sys‹ entwickelt. Vor ein paar Wochen ging europaweit die hundertste Anlage des Systems in Betrieb. Weitere Anlagen werden folgen; denn nicht nur in Deutschland steigt der Anteil der erneuerbaren Energien in der Stromerzeugung. »Je nach Anlagengröße und Ausbaustufe der Systeme liegen die Investitionskosten zwischen 8.000 und 25.000 Euro«, sagt Hoppert, der bei A.Eberle als Produktmanager für das Smart Grid verantwortlich ist.

Die Kosten für anfallende Verluste hängen laut A. Eberle stark vom Auslastungsrad des Regelsystems ab. Bei einer mittleren Beanspruchung von 50 % fallen demnach Kosten für Verlustleistungsarbeit bei einem 250-kVA-System von zirka 350 €/a an. Die Bundesnetzagentur entscheidet, wie viel Geld Netzbetreiber für welche Maßnahme ausgeben dürfen. Nach monatelangem Ringen um die Novelle der Anreizregulierungsverordnung hat das Bundeskabinett Anfang August die neue ARegV beschlossen.

Mit der Neuregelung gibt es nun Leitlinien und Investitionsanreize für den Umbau regionaler Stromnetze. Die Verordnung gibt das Verfahren vor, nach dem die Erlösobergrenzen der Netzbetreiber zukünftig durch die Regulierungsbehörden bestimmt werden.

Anreizregulierung

»Für die Verteilnetzbetreiber ist von zentraler Bedeutung, dass sie ab der nächsten Regulierungsperiode Investitionen zeitnah refinanzieren können«, so der Verband kommunaler Unternehmen. Neu ist unter anderem der Kapitalkostenabgleich. Um die Investitionsbedingungen zu verbessern, tritt zur Finanzierung der Verteilernetze an die Stelle pauschaler Budgets eine vollständige Anerkennung der Investitionskosten ohne Zeitverzug. Investitionen könnten so umgehend über die Netzentgelte refinanziert werden.

Geregelte Ausgangsspannung

»Das Regelprinzip des Systems basiert auf einem Spannungslängsregler«, sagt Stefan Hoppert. Das Zu- und Abschalten von zwei Transformatoren mit ausgewähltem Übersetzungsverhältnis ermöglicht die Regelung der Ausgangsspannung in Stufen. Der Standardregelbereich beträgt laut A. Eberle ± 6 %/± 10 %.

Die Steuersignale werden durch Thyristor-Treiberschaltungen generiert, welche die Thyristoren intelligent zuschalten, heißt es in einer Produktbeschreibung.

Bypass mit NH-Sicherungen

Jedes LVS Sys verfügt über einen manuellen Bypass-Schalter mit integrierten NH-Sicherungen. Die Systeme bieten so die Möglichkeit, Servicearbeiten spannungsfrei vorzunehmen.

Der Regler misst die Ausgangsspannung und stuft bei Über- oder Unterschreitung der Spannungstoleranzbänder. Bei zusätzlicher Parametrierung der Netzimpedanz wird ein neuer Spannungsregelwert gebildet.

Durch Berücksichtigung von gemessenem Netzstrom und eingestellter Netzimpedanz lässt sich der Spannungswert im Netzausläufer exakt kalkulieren. Die Regelung kann dadurch ohne Kommunikationseinrichtungen optimiert werden.

Mindestens 139 gW EE bis 2023

2014 war bereits eine Windkraft- und Photovoltaikleistung von mehr als 55 GW an den heterogen aufgebauten Verteilernetzen angeschlossen. Je nach Szenario erwarten Experten eine installierte Kapazität der Erneuerbaren in Deutschland zwischen 139 und 206 GW bis 2032.

Daraus folgt eine belastbare Abschätzung des Ausbaubedarfs der Verteilnetze bundesweit. Bis 2032 sind laut einer Studie des Bundeswirtschaftsministeriums je nach Szenario zusätzliche Gesamtinvestitionen in Höhe von mindestens zirka 23 Mrd. € bis maximal 49 Mrd. € erforderlich. 20 % des Investitionsbedarfs entsteht der Untersuchung zufolge im Niederspannungsnetz. Das Problem: »Bei ungleichmäßiger Verteilung von Lasten und Einspeisern ergibt sich eine Spreizung der Spannung«, sagt Hoppert. »In vielen Fällen gleichen sich der Leistungsbezug und die Leistungsrücklieferung an der Sammelschiene nahezu aus, wodurch eine zentrale Regelung direkt an der Sammelschiene keine geeignete Regelgröße generieren kann.«

420 Volt Sammelschienenspannung

Es müssten aufwendige Kommunikationsstrecken aufgebaut und somit externe Spannungsmesswerte mit in die Regelung einbezogen werden.

Effektiver sei es, die Spannungsstufe des Ortsnetz-Transformators zu verändern und ein Niederspannungsregelsystem einzusetzen.

»Die Sammelschienenspannung kann beispielsweise auf 420 Volt fest eingestellt werden. So wird dem Spannungsabfall der Lasten entgegengewirkt.«

Im Einspeiser-Strang könne dann LVR Sys installiert werden, damit sich optimale Spannungsverhältnisse einstellen. (hd)

Regelsystem LVR Sys

• Spannungsregelung in Ortsnetzen von 22 kVA bis 630 kVA

• Ausführung Strangregler oder als Ortsnetzregler äquivalent zum RONT

• Regelbereich von ± 6 % bis ± 20 % der Nennspannung

• Unabhängige Regelung der drei Phasenspannungen

• Optionale Power-Quality-Analyse nach EN 50160 beziehungsweise IEC 61000-2-2

Interview

Seit wann setzen Sie das System von A. Eberle ein, und welchen Effekt hatte das auf den Netzbetrieb?

2010/11 entschloss sich ED Netze, an einem Pilotprojekt für die Entwicklung des Spannungsregelsystem LVR Sys mitzuwirken. Dazu hat man das Netzgebiet Rotzingen-Burg mit einer installierten PV-Leistung von 267 Kilowatt ausgesucht.

Es kommt für einen klassischen Netzausbau nicht in Frage, da in den betroffenen Stromkreisen keine Leitungsüberlastungen zu erwarten sind.

Die Anlage wurde in eine Ortsnetz-Transformatorenstation integriert. Zwischenzeitlich sind zwei weitere Regler als Strangregler in Freileitungssysteme anderer Netzbereiche eingebaut worden.

Wie lautet Ihr Fazit?

Ist die Stromtragfähigkeit des Verteilnetzes zu gering, so muss das Netz zwingend ausgebaut werden. Ist sie ausreichend, es liegen jedoch Spannungshaltungsprobleme vor, so ist es möglich, auf weitaus günstigere Maßnahmen als den Leitungsausbau zurückzugreifen.

Im Vergleich zu regelbaren Ortsnetz-Transformatoren stellt das System eine flexibel einsetzbare Regeltechnik dar, die im Bedarfsfall einfach versetzt werden kann. Somit ist es dem Netzbetreiber bei sich extrem verändernden Netzkonstellationen, die einen Netzausbau zwingend erfordern, möglich, das System einzusetzen.

Kleinere Leistungen erfordern geringere Investitionsvolumina. Vereinzelte Stränge können via regelbarer Straßenverteilungskasten kostengünstig geregelt werden.

Wie ist das System in das Steuerungssystem Ihrer Leitwarte eingebunden?

Bei der Pilotanlage werden die Leistungs-und Spannungswerte per GPRS auf das Spider-System an die Netzleitstelle übermittelt. Bei den Strangreglern ist das nicht geplant.

Planen Sie weiter weitere Maßnahmen, um die Auswirkungen der Energiewende zu begegnen?

Derzeit projektiert und integriert ED Netze intelligente Ortsnetz-Transformatorenstationen in das Versorgungsnetz. Die erfassten Messdaten der Spannungsebenen 20kV und 0,4 kV sowie die Leistungswerte werden über Fernwirktechnik auf das Spider-System der Netzleitstelle übermittelt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die 20-kV-Leistungsschalter anzusteuern.

Als weiteres Pilotprojekt werden derzeit an 15 Schaltstationen, die an die Leitstelle angebunden sind, Sensoren zur Erfassung der Sonneneinstrahlung installiert.

In Verbindung mit den Lastdaten kann auf der Geo-Netzgebietskarte der Zusammenhang der Bezugs- oder Rückspeiseleitungen mit der Auslastung des Netzes dargestellt werden.

Wie hoch ist der Anteil der Erneuerbaren im Netz dato? Rechnen Sie mit weiterem Zubau?

Dem Versorgungsbereich der ED Netze stand 2012 eine installierte Leistung von zirka 505 MW zur Verfügung. Derzeit sind Windkraftanlagen mit rund 32,5 MW im Bau oder in der Planung; voraussichtlich werden noch weitere PV-und BHKW-Anlagen dazukommen, zu deren Leistungen noch keinen Daten vorliegen.

Erschienen in Ausgabe: 09/2016